從CIMT2021看五軸頭的技術發(fā)展

趙巖

（寧波海天精工股份有限公司）

2021年4月12-17日，由中國機床工具工業(yè)協(xié)會主辦的CIMT2021在北京成功舉辦。作為本年度國內(nèi)舉辦的規(guī)模Z大、品牌知名度Z高的機床工具盛會，吸引了境內(nèi)外知名企業(yè)爭相在這個全球業(yè)界四大知名展會之一的平臺上展示自己的技術水平和服務實力。作為后疫情時期首個開幕的全球知名機床工具展，CIMT2021吸引了20余萬人到場，現(xiàn)場人流如織。

五軸頭是數(shù)控機床的重要功能部件，代表著機床Z主要的核心技術之一，它能夠擴展傳統(tǒng)機床的加工形式和加工自由度，實現(xiàn)機床功能的多樣化，能大幅度提升機床的加工范圍，使用戶企業(yè)實現(xiàn)生產(chǎn)力和附加值的Z大化。CIMT2021展會上，境內(nèi)外企業(yè)展出了品種繁多、外觀精美的五軸頭產(chǎn)品，筆者就其中部分五軸頭產(chǎn)品進行評述，不到之處，請同行斧正。

一、電主軸五軸頭

五軸聯(lián)動加工一直是加工中心的至高追求，隨著模具制造和航空航天產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，對五軸聯(lián)動加工機床的需求越來越大。采用力矩電機驅(qū)動A/C軸的五軸頭可實現(xiàn)聯(lián)動加工，采用大功率高速電主軸可實現(xiàn)高速高精加工。

對于雙軸（A/C軸）采用力矩電機直驅(qū)的AC擺頭，有單擺和雙擺兩種形式。單擺式的只有一邊設有力矩電機，A軸驅(qū)動力較同規(guī)格雙擺式的小。雙擺式是A軸兩側都有力矩電機驅(qū)動，相對單擺式A軸驅(qū)動力大，并且A軸對稱式設計，擺頭重心與C軸旋轉中心重合，轉位具有更好的穩(wěn)定性。

1. 濟南二機床集團有限公司

濟南二機床展出的4個五軸頭在跑和臺上各自做著A/C軸擺動動作，給觀眾帶來視覺沖擊，非常吸引眼球。

上圖中從左到右的4個五軸頭分別是通用伺服電機驅(qū)動A/C雙擺角銑頭、機械主軸式A/C雙擺角銑頭、力矩電機直驅(qū)A/C雙擺角銑頭、力矩電機直驅(qū)偏置A/C雙擺角銑頭。大功率大扭矩的加工優(yōu)選機械主軸式A/C雙擺頭和通用伺服電機驅(qū)動A/C雙擺角銑頭，機械主軸式A/C雙擺頭的A/C軸驅(qū)動扭矩可達4000-8700Nm，主軸扭矩Z大可達3070Nm，機械主軸轉速5000r/min，適合強力切削；通用伺服電機驅(qū)動A/C雙擺角銑頭A/C軸驅(qū)動扭矩1200Nm，主軸功率40-80kW，主軸Z高轉速30000r/min，適用于有色金屬、復材等材料零件的高速高精加工。高精度高效率加工以力矩電機直驅(qū)A/C雙擺角銑頭和力矩電機直驅(qū)偏置A/C雙擺角銑頭為優(yōu)選，力矩電機直驅(qū)A/C雙擺角銑頭A/C軸驅(qū)動扭矩1500Nm，主軸功率37-80kW，主軸Z高轉速30000r/min，A/C軸工作旋轉速度60r/min，適用于有色金屬高速加工及模具精加工；力矩電機直驅(qū)偏置A/C雙擺角銑頭A/C軸驅(qū)動扭矩800-1200Nm，主軸功率25-40kW，主軸Z高轉速24000r/min，A/C軸工作旋轉速度60r/min，適用于汽車外板模具、玻璃鋼及碳纖維等復合材料的精加工。

濟南二機床的五軸頭，按不同應用領域設計成4個具有代表性的產(chǎn)品，加工范圍覆蓋了大部分機加工行業(yè)產(chǎn)品。

2. 山東威達重工股份有限公司

展出的GMC2232bu五軸橋式高速龍門加工中心上配置了一款意大利HSD-810型雙臂叉式五軸銑頭，該銑頭力矩電機直驅(qū)，主軸功率50/67.5kW，主軸Z大輸出扭矩90/120Nm，A/C軸加持力矩都達到4000Nm，A軸定位精度6〞，C軸定位精度8〞，A/C軸搖擺Z大速度30r/min。這種直驅(qū)五軸頭，既可五軸聯(lián)動加工，也可擺角到位后通過液壓夾緊實現(xiàn)定角度大扭矩加工。

3. 寧波天瑞精工機械有限公司

展出兩款五軸頭，分別是5AS系列單臂五軸頭和5AF系列雙臂擺頭，吸引了眾多觀眾。這兩款五軸頭配置20000r/min大功率電主軸，A、C軸采用直驅(qū)形式傳動，高速、高響應、無背隙，Z高轉速可達60r/min。擺頭A、C軸標配圓光柵，定位精度小于10″。配置五軸防撞功能，反應時間小于10ms，可對刀具、工件及設備形成有效保護。

二、機械五軸頭（主機不配機械主軸）

機械五軸頭主要指轉位機構采用機械傳動，銑頭配置機械主軸，這種結構A/C軸轉動速度較慢，不可聯(lián)動加工，只能旋轉到固定角度，通過牙盤定位后進行定角度加工。機械五軸頭的加工效率不如直驅(qū)五軸頭，但往往在可靠性和同體積輸出扭矩上占優(yōu)。機械五軸銑頭結構復雜，轉位機構有齒輪傳動、伺服電機加皮帶傳動、蝸輪蝸桿傳動、凸輪蝸桿傳動等種類。

機械五軸頭在機床上的應用，筆者又將其分為兩大類，這里先介紹類，空腔滑枕直聯(lián)機械五軸頭：這種機床本身沒有主軸，滑枕空腔內(nèi)部設有大拉爪結構，用于自動抓取銑頭，或者銑頭手動固定在滑枕底部，銑頭的主軸相當于機床主軸。這種結構的機床可配置一種或多種銑頭，如只配制一個五軸頭，那這個五軸頭長期安裝在滑枕上，除維修外不再拆下來；如果機床配置多個銑頭，可通過更換不同銑頭實現(xiàn)不同加工功能，比如大隈機床，滑枕通過大拉爪結構抓取延伸頭，就相當于滑枕安裝了機械主軸。

1. 西班牙尼古拉斯克雷亞

展出的立式五軸頭和臥式五軸頭，主軸Z大轉速有6000和10000r/min兩種規(guī)格，Z大扭矩可達840/990Nm，Z大功率24/33kW。尼古拉斯五軸頭的一大優(yōu)勢是可做到自動微分度，A/C兩軸采用端齒盤錯齒分度，Z小分度可達0.02°。

2.日本大隈機床公司

展出的MCR-BV機床上安裝一款BC軸萬向分度頭，此銑頭采用音叉式結構，主軸Z大功率15kW，Z大轉速有2000和6000r/min兩種，B/C軸Z小分度都可達到1º，是一種既傳統(tǒng)又經(jīng)典的結構。作為機械主軸輸出的萬向頭，主軸轉速能做到6000r/min，業(yè)內(nèi)少有。

3. 北京北一機床股份有限公司

展出的是一款機械傳動結構的五軸頭，主軸Z大功率40kW，主軸Z高轉速3000r/min，擺動Z高速度6r/min，擺動進給Z大扭矩7500Nm。擺頭擺動進給由單獨的交流伺服電機經(jīng)幾組消隙齒輪傳遞到擺動軸，可以做到無間隙傳動，傳動精度高。五軸頭具有高剛性、高負載、高轉速、大扭矩的特點，適用于鈦合金、高強度材料的五軸切削加工。

三、機械五軸頭（主機可配機械主軸）

機械五軸頭在機床上的應用，筆者歸納的第二大類，是機床滑枕自帶主軸，在不帶銑頭的時候是普通的三軸機床，加配銑頭后，系統(tǒng)開通五軸功能，即可實現(xiàn)五軸加工。此時的五軸頭是外掛式，通過若干小油缸拉緊至滑枕端面，通過C軸端齒盤定位。這種結構的設計，使整體主機的可靠性更高，畢竟銑頭維修不會影響主機的三軸使用，但因為滑枕不是空腔設計，銑頭的C軸轉位就要放在銑頭的上部，不能藏身于滑枕內(nèi)部，所以第二類同體型的機械五軸頭，較前面介紹的類機械五軸頭的輸出功率和扭矩都偏小。

1. 寧波海天精工股份有限公司

展出的是一款新品偏置式機械五軸頭，整體外觀精巧，轉動平穩(wěn)，Z大功率15kW，Z大扭矩600Nm，主軸Z大轉速4000r/min，采用油氣潤滑，自動換頭、自動分度、自動定位、自動松拉刀，可選配中心出水功能，A/C軸采用端齒盤定位，Z小分度精度1°。該機械五軸頭適用于多種材料的半精加工和精加工。此五軸頭A軸可做微分度結構，Z小分度可達0.01°，大幅拓寬了此銑頭的工藝加工范圍。

2.臺灣葳立

展出了一款偏置式機械五軸頭，主軸功率15/20kW，主軸Z大轉速3000r/min，A/C軸Z小分度1º。

3.臺灣吉輔

展臺上擺放了一款偏置式全自動萬能頭，此銑頭主軸Z大扭矩1000Nm，Z高轉速3000r/min，C軸自動分度角度5°，A軸自動分度角度2.5°，可自動松拉刀，齒輪采用油脂潤滑。

4. 常州市銘源精密傳動技術有限公司

同樣展出了一款偏置式全自動萬能頭，該銑頭Z大扭矩1200Nm，主軸Z大轉速2000r/min，齒輪油脂潤滑，A/C軸自動分度，Z小分度2.5°，自動松拉刀。

四、結束語

本文側重點集中在本次展會展出的部分電主軸直驅(qū)五軸頭和機械五軸頭，相對于往屆展會五軸頭產(chǎn)品大多集中在進口設備上，本次展會展出的國產(chǎn)五軸頭在種類和數(shù)量上呈現(xiàn)出與進口五軸頭分庭抗禮的形勢，濟二、北一、天瑞精工、海天精工、臺灣巍立、臺灣吉輔、銘源等多家機床廠和銑頭專營廠家提供了自己的五軸頭產(chǎn)品，其中天瑞精工的兩款聯(lián)動五軸頭，海天精工、臺灣吉輔、銘源三家各自的偏置式機械?軸頭都屬新品。

五軸加工中心已成為先進制造技術中的一項重點裝備，五軸銑頭也是機床制造業(yè)一個重要的高端配件，加速推進五軸銑頭的研發(fā)與制造是解決機床制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個關鍵。國內(nèi)越來越多有實力的機床企業(yè)開始大力研發(fā)制造功能部件產(chǎn)品，從自動直角頭到機械五軸頭、直驅(qū)五軸頭，再到高性能電主軸、數(shù)控轉臺等關鍵功能部件，逐步擺脫了高端功能部件只能依賴進口的尷尬局面。

通過長時間的驗證和改進，國產(chǎn)銑頭產(chǎn)品的精度和可靠性已逐步貼近進口產(chǎn)品，且國產(chǎn)銑頭在售價上占有巨大優(yōu)勢。相信通過國內(nèi)機床工具企業(yè)的共同努力，銑頭產(chǎn)品質(zhì)量會越做越好，應用領域?qū)⒃酵卦綄挕?/p>

（來源：中國機床工具工業(yè)協(xié)會cmtba）